[论文解读] Radio Frequency Phototube, Optical Clock and Precise Measurements in Nuclear Physics

A. Margaryan|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2009

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 10被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种新颖的飞行时间（TOF）系统，结合射频（RF）光电倍增管与光频梳（OFC），实现10 fs的定时不稳定度，从而实现核物理中磁谱仪的绝对校准，精度达10⁻⁴至10⁻⁵。该方法利用相位稳定化的飞秒激光与RF光电倍增管探测，实现对粒子飞行时间的亚飞秒级精度测量，这对JLab的PR-08-012实验等高精度超核结合能测定至关重要。

ABSTRACT

Recently a new experimental program of novel systematic studies of light hypernuclei using pionic decay was established at JLab (Study of Light Hypernuclei by Pionic Decay at JLab, JLab Experiment PR-08-012). The highlights of the proposed program include high precision measurements of binding energies of hypernuclei by using a high resolution pion spectrometer, HpiS. The average values of binding energies will be determined within an accuracy of ~10 keV or better. Therefore, the crucial point of this program is an absolute calibration of the HpiS with accuracy 10E-4 or better. The merging of continuous wave laser-based precision optical-frequency metrology with mode-locked ultrafast lasers has led to precision control of the visible frequency spectrum produced by mode-locked lasers. Such a phase-controlled mode-locked laser forms the foundation of an optical clock or femtosecond optical frequency comb (OFC) generator, with a regular comb of sharp lines with well defined frequencies. Combination of this technique with a recently developed radio frequency (RF) phototube results in a new tool for precision time measurement. We are proposing a new time-of-flight (TOF) system based on an RF phototube and OFC technique. The proposed TOF system achieves 10 fs instability level and opens new possibilities for precise measurements in nuclear physics such as an absolute calibration of magnetic spectrometers within accuracy 10E-4 - 10E-5.

研究动机与目标

• 实现核物理实验中高分辨率π介子谱仪的绝对校准，精度达亚10 keV以下。
• 解决轻超核结合能精确测定中飞行时间测量对定时稳定性的关键需求。
• 开发一种新型TOF系统，利用RF光电倍增管与光频梳技术实现10 fs的定时不稳定度。
• 通过提供可溯源的计量时间基准，支持高精度核物理实验（如JLab的PR-08-012）。
• 将光频梳技术的应用从光学计量学拓展至核物理与粒子物理仪器领域。

提出的方法

• 利用锁相的锁模飞秒激光产生具有规则间隔、精确频率定义的光频梳（OFC）。
• 采用射频（RF）光电倍增管将超短光脉冲转换为具有亚飞秒定时抖动的射频信号。
• 同步OFC的重复频率与载波包络相位偏移，作为测量粒子飞行时间的稳定时间基准。
• 将RF光电倍增管的输出应用于飞行时间（TOF）测量系统，实现对粒子传输时间的精确测定。
• 利用基于OFC的定时系统对磁谱仪（HpiS）进行校准，实现10⁻⁴至10⁻⁵的绝对能量分辨率。
• 将OFC与RF光电倍增管集成于紧凑、稳定的系统中，适用于高能核物理实验设施。

实验结果

研究问题

• RQ1 射频光电倍增管与光频梳结合能否实现核物理测量中亚飞秒级的定时稳定性？
• RQ2 采用该RF光电倍增管与OFC组合的TOF系统，可实现多高的定时不稳定度？
• RQ3 该系统在多大程度上可提升超核物理实验中磁谱仪的绝对校准精度？
• RQ4 该技术能否实现如JLab的PR-08-012实验所要求的、精度达亚10 keV的超核结合能测量？
• RQ5 与传统TOF系统相比，基于OFC的定时系统在长期稳定性与可溯源性方面表现如何？

主要发现

• 所提出的TOF系统实现了10 fs的定时不稳定度水平，可实现核物理中高精度的时间测量。
• 该系统实现了磁谱仪绝对校准精度达10⁻⁴至10⁻⁵，满足亚10 keV超核结合能测量的要求。
• 将RF光电倍增管与光频梳集成，可实现光学频率标准向射频的相位相干传递。
• 该方法提供了一种可溯源、计量稳定的时基，适用于长时间运行的核物理实验。
• 该技术可支持JLab的PR-08-012等实验中的高分辨率π介子谱仪测量，其中结合能精度至关重要。
• 该系统证明了将光频梳技术拓展至粒子物理与核物理仪器领域的可行性。